KR20170108319A

KR20170108319A - 식물 성장용 led 조명장치

Info

Publication number: KR20170108319A
Application number: KR1020160032021A
Authority: KR
Inventors: 김호순; 김상주; 김대수
Original assignee: (주)위너에코텍
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-27
Also published as: KR101809557B1

Abstract

본 발명은 LED 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 식물 성장에 필요한 태양광과 가장 근접한 자연광을 발하는 식물 성장용 LED 조명장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치는, 길이 방향으로 소정 간격 이격되어 PCB상에 LED가 배열된 식물 성장용 LED 조명장치에 있어서, 상기 LED 중 10개의 LED를 1블럭 패키지로 정의하고, 상기 10개의 LED를 주황색 도료가 경화된 청색 LED, 적색 LED 및 노란색 도료가 경화된 청색 LED를 3:3:4의 비율로 혼합하여 배열한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

Description

식물 성장용 LED 조명장치{LED LIGHTING DEVICE FOR IMPROVING PLANT GROWTH}

본 발명은 LED 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 식물 성장에 필요한 태양광과 가장 근접한 자연광을 발하는 식물 성장용 LED 조명장치에 관한 것이다.

식물재배 LED 조명의 필요성은 환경기후의 변화, 시대의 요구(에너지 절감), 친환경농업 및 LED 광처리 기술의 발전에 따른다.

식물재배용 LED 조명은 식물이 필요로 하는 빛으로, 태양의 방사선은 지구에 직접 도달하기까지 다양한 산란이나 흡수를 받아 약300nm ~ 3000nm의 파장범위가 직접 도달한다.

식물에 유효한 방사선은 생리효과 방사선(300 ~ 800nm)과 광합성 효과 방사선(PAR : 400 ~ 700nm) 이중 청색계열과 적색계열의 빛을 흡수하고 녹색계열은 반사시킨다.

식물 재배용 LED 조명의 적용 피크 파장범위는 식물의 흡수파장을 기준으로 엽록소작용(440nm, 655nm)과 광합성작용(430nm, 670nm)이 중요하다.

파장이 식물에 미치는 작용효과는 1400~1000(IR-A)-식물에 대해 특별한 작용은 없고, 780(IR-A)-식물에 특별한 신장효과를 촉진시키는 파장이고, 700(적색)-발아저지(730), 광합성 작용의 최대(670), 660(적색)-엽록소 작용 최대(655),발아 작용과 잎 배포화아형성(660), 610(적황색)-광합성에 유익하지 않으며, 510(녹황색)-노란 색소에 의한 일부 흡수, 430~440(청색)-광합성 작용의 최대(430), 엽록소 작용의 최대(440), 400 ~ 315(UV-A)-일반적으로 식물의 잎을 두껍게 하는 작용. 색소의 발색 촉진작용, 280(UV-B)-많은 합성 과정에 중요한 작용(면역체형성), 100(UV-C)-식물을 급속하게 시들리게 하는 작용으로 연구되어 있다.

이러한 연구결과에 따라 대한민국 등록특허공보 10-1133725에는 식물 재배용 LED 조명장치가 개시되어 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1133725에는 적색 LED와 청색 LED를 조합한 조명장치가 개시되어 있지만, 실제 그 파장(도 5의 (b) 참조)을 보면 태양광의 파장(도 5의 (a) 참조)과 많이 다른 것을 알 수 있다.

도 6를 참조하면, 적색광과 청색광 이외의 파장 영역에서도 광합성 작용이 일어 나고 있음을 그래프를 통해 알 수 있다.

이 그래프에서 회색으로 표시된 엽록소의 그래프를 보면, 청색광과 적생광 파중 주변에서 활발한 광합성 반응을 보여 주고 있으며, 실제로는 2% UV 380nm, 6% Royal Blue 455nm, 12% Blue 470nm, 30% Red 627nm, 50% Far Red 660nm와 같이, 태양빛은 4%의 UV대역, 52%의 근적외선 영역 그리고, 44%의 가시광석 영역에 분포한다.

이러한 연구를 토대로 유추해 보면, 반드시 청색광 450nm와 적색광 660nm만이 중요한 것이 아니라, 이외 오랜지광이나 근적외선 등의 파장도 식물의 광합성을 일으키는 파장에 있다는 것을 인지하여야 한다.

특허문헌 1 : 대한민국 등록특허공보 10-1133725

상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는, 태양광인 자연광에 가장 근접한 식물 성장용 LED 조명장치를 제공하고자 한다.

또한, 기존의 식물 성장용 LED 조명장치에 비해 저렴한 가격으로 제조될 수 있는 식물 성장용 LED 조명장치를 제공하고자 한다.

결국, 가장 저렴하게 생산이 가능하면서 식물 성장의 최적화가 가능한 LED 조명장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이라 할 수 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치는, 길이 방향으로 소정 간격 이격되어 PCB상에 LED가 배열된 식물 성장용 LED 조명장치에 있어서, 상기 LED 중 10개의 LED를 1블럭 패키지로 정의하고, 상기 10개의 LED를 주황색 도료가 경화된 청색 LED, 적색 LED 및 노란색 도료가 경화된 청색 LED를 3:3:4의 비율로 혼합하여 배열한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기서, 상기 주황색 도료가 경화된 청색 LED를 L3라 하고, 상기 적색 LED를 L6라 하며, 상기 노란색 도료가 경화된 청색 LED를 L5라 할 때, 상기 1블럭 패키지는, L3-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L6-L5, L3-L5-L6-L5-L3-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L6-L3-L5-L6-L5-L3-L5-L6, L5-L3-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L6-L3-L5-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L5-L6 중 어느 하나의 배열로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 주황색 도료가 경화된 청색 LED의 색온도는 2700K 내지 3500K이고, 상기 노란색 도료가 경화된 청색 LED의 색온도는 4700K 내지 5500K인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 LED 조명장치의 파장은 청색 파장과 적색 파장에서 극대화되고, 상기 청색 파장과 적색 파장 사이의 영역에서도 다른 가시광선의 파장이 발생되는 파장 분포도를 이룰 수 있다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 태양광인 자연광에 가장 근접한 빛을 낼 수 있으며, 기존의 식물 성장용 LED 조명장치에 비해 최대 약 25% 정도 저렴한 가격으로 제조될 수 있는 식물 성장용 LED 조명장치를 제공하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치의 PCB에 배치된 LED 배열도이다.
도 3은 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치에 적용된 LED 배열 패키지의 다양한 예들을 도표화한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치에 의한 파장 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치, 태양광 및 종래의 LED 조명장치의 파장을 비교하기 위한 그래프들이다.
도 6은 태양광의 파장이 식물의 광합성 작용에 영향을 주는 파장대를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치의 구조 및 작용효과를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

첨부 도면에 도시된 특정 실시예에 대한 상세한 설명은, 그에 수반하는 도면들과 연관하여 읽히게 되며, 도면은 전체 발명의 설명에 대한 일부로 간주된다. 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도를 갖지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치의 구조도이다.

도 1에 도시된 본 발명의 LED 조명장치(10)는 식물의 성장을 촉진하는 LED램프를 혼합한 상태로 식물에 비춰주어 광량 및 광양자밀도(PPFD)가 식물에 영양공급을 충분히 전달되도록 하여 고품질의 식물을 재배할 수 있도록 한다.

LED 조명장치(10)는 길이 방향으로 길게 형성되며, 상단에 열을 외부로 방출하도록 복수개의 방열핀이 돌출 형성된 알루미늄 재질의 하우징(11)이 구비된다.

하우징(11)은 하부측은 알루미늄 재질로 이루어지고, 상부측은 투명 또는 반투명의 플라스틱재로 이루어져 LED 빛이 투과될 수 있도록 형성되며, 방수 및 이물질을 차단할 수 있는 구조를 갖는다.

하우징(11)의 내부에는 LED 모듈(13)이 프레임(12)에 고정 설치된다. LED 모듈(13)은 PCB(21)와 LED(14) 그리고 제어회로를 모두 포함하는 개념으로 사용된다.

그리고 LED 모듈(13)의 상단에 일정 간격으로 고정 설치되는 복수개의 LED(14)가 구비되어 제어회로에 따라 제어되어 발광된다.

프레임(12)은 LED 모듈(13)를 장착할 수 있는 구조와, LED 빛이 효율적으로 전달될 수 있는 구조를 가질 수 있으며, 원통형의 하우징(11)에 끼워 맞춤 될 수 있는 걸림편들이 형성될 수 있으며, 이러한 프레임(12)의 구조는 공지의 기술로서 구체적인 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치의 PCB에 배치된 LED 배열도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치(10)는 LED 모듈(13)을 포함하며, LED 모듈(13)은 PCB(21) 및 LED(14)들을 포함한다.

PCB(21)에는 다수개의 LED(14)들이 장착되며, 식물 성장 촉진을 위해 필요한 적색광과 청색광을 극대화시키기 위한 비율로 배치된다.

본 발명에서는 식물 성장 촉진을 위해 적색 LED(L6)와 주황색 LED(L3) 및 노란색 LED(L5)가 적절한 비율로 배치되는 구조를 갖는다.

종래에는 식물의 성장을 촉진하는 적색 LED와 식물의 성장을 억제하는 청색 LED의 빛을 2:1 또는 3:1 또는 4:1의 비율로 혼합한 상태로 사용하여 가시광선 영역의 적색 파장대와 청색 파장대를 극대화시키는 조명장치가 개발되어 사용되어 왔다.

하지만, 배경기술에서 서술했듯이 적색 파장과 청색 파장만을 극대화시키는 것은 태양광의 파장과 많은 차이가 있고, 실제 식물의 광합성 작용에서 적색광과 청색광만을 활용하는 것이 아니라 다른 색 광의 파장도 이용하고 있다는 점에 주목해야 한다.

이러한 관점에서 본 발명에서는 적색 LED(L6), 주황색 LED(L3) 및 노란색 LED(L5)를 3:3:4의 비율로 혼합 사용하게 되면 자연광에 가까운 파장을 획득할 수 있고, 이러한 비율로 혼합된 LED 조명장치는 실제 식물 성장 촉진에 효율적이라는 것을 다양한 실험을 통해 획득하게 되었다.

주황색 LED(L3)는 청색 LED 패키지에 주황색 도료를 입힌 것으로서 색온도는 2700K 내지 3500K 정도이고, 노란색 LED(L5)는 청색 LED 패키지에 노란색 도료를 입힌 것으로서 색온도는 4700K 내지 5500K의 분포를 갖을 수 있다.

본 발명은 이러한 LED 비율을 실험에 의해 얻게 되었고, 또한 이러한 조명장치를 실제로 구현함에 있어 중요한 요소는 제조 가격의 다운이라는 것이다.

실제로 적색 LED는 그 수요가 많지 않아 단가가 청색 LED에 비해 매우 높게 책정되어 있기 때문에, 실제 적색 LED와 청색 LED 비율을 2:1, 3:1 또는 4:1로 혼합하여 사용할 경우 적색 LED의 수량은 많아지게 되므로 상당히 고가의 LED 조명장치를 사용할 수 밖에 없다.

예를 들면, 100개의 LED가 들어가는 LED 조명장치를 제작할 경우, 종래의 적색 LED와 청색 LED 비율을 2:1로 혼합할 경우와 본 발명을 비교해 본다.

종래의 경우, 적색 LED가 66개, 청색 LED가 34개가 소요되며, 본 발명의 경우는 적색 LED가 30개, 청색 LED가 70개가 사용된다.

청색 LED는 많은 수요가 있기 때문에 적색 LED에 비해 그 단가가 현저하게 저렴하기 때문에 적색 LED 수요량에 따라 실제 LED 조명장치의 제조단가가 결정되기 때문에 종래에 비해 본 발명의 경우는 적어도 30여개 정도의 적색 LED를 적게 사용하기 때문에 실제 단가는 약 25% 정도 다운이 가능하게 된다.

특히, 적색 LED와 청색 LED의 비율을 3:1 이나 4:1의 비율로 혼합된 종래의 LED 조명장치에 비해서는 더욱 단가가 내려갈 수 있는 장점을 가지게 된다.

따라서, 본 발명의 LED 조명장치는 연색성(RA) 90 이상의 자연광에 가까운 파장을 갖져 식물 성장 촉진에 효율성이 높고, 또한 기존의 조명장치의 제조단가에 비해 상당히 저렴하게 제조가 가능한 조명장치를 제공하게 된다.

본 발명의 LED 조명장치(10)에 적용되는 LED 모듈(13)은 PCB(21)에 3:3:4의 비율로 주황색 LED(L3), 적색 LED(L6) 및 노란색 LED(L5)를 혼합하여 사용하게 된다.

일반적으로 LED 조명장치(10)는 길이방향의 막대형 모양을 하고 있고, 여기에 사용되는 LED는 PCB 크기에 따라 90개 내지 110개 정도가 배열된다. 다만, 그 이하 또는 그 이상의 규격도 얼마든지 제작이 가능함은 물론이다.

LED 갯수가 100개가 배열된 조명장치를 기준으로 할 때, 본 발명의 LED 조명장치(100)는 주황색 LED(L3)가 30개, 적색 LED(L6)가 30개, 노란색 LED(L5)가 40개가 배열되며, 그 배열 순서는 다양하게 할 수 있다.

그 일례가 도 2에 도시된 LED 배열이라 할 수 있다.

LED 갯수 10개를 기준으로 1블럭 패키지로 구분할 때, 예로서 L3(22a)-L5(23a)-L6(24a)-L3(22b)-L5(23b)-L6(24b)-L3(22c)-L5(23c)-L6(24c)-L5(25a) 순으로 배열이 가능하다. 주황색 LED, 노란색 LED 및 적색 LED를 순차적으로 배열하고 마지막에 노란색 LED(L5)를 배치할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치에 적용된 LED 배열 패키지의 다양한 예들을 도표화한 것이다.

도 2에서와 같이 본 발명에 따른 LED 조명장치(10)의 LED 배열을 3:3:4로 결정하게 되면, 도 3과 같은 배열예들이 가능하다.

Package1은 도 2에서와 같은 배열이고, Package2는 4컬럼에 노란색 LED(L5)가 더 추가된 것이며, Package3은 7컬럼에 노란색 LED(L5)가 더 추가된 것이고, Package4는 1컬럼에 노란색 LED(L5)가 더 추가된 것이며, Package5는 2컬럼에 노란색 LED(L5)가 더 추가된 것이고, Package6은 5컬럼에 노란색 LED(L5)가 더 추가된 것이며, Package7는 8컬럼에 노란색 LED(L5)가 더 추가된 것을 나타낸다.

즉, 본 발명의 LED 조명장치(10)는 10개의 LED를 1블럭 패키지로 정의할 때, 주황색 LED(L3), 적색 LED(L6) 및 노란색 LED(L5)의 비율이 3:3:4가 되도록 배열하는 것이 핵심이 된다.

이렇게 3:3:4가 되도록 배열할 때, LED 조명장치(10)가 발산하는 빛의 파장이 태양광에서 나오는 파장대와 가장 근접할 수 있고 적색광 및 청색광의 파장대 외에 다른 색의 파장대도 출력될 수 있게 된다. 그 파장의 결과를 다음 도 4 및 도 5를 통해 살펴본다.

도 4는 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치에 의한 파장 그래프이다.

도 4에 도시된 그래프는 본 발명의 LED 조명장치(10)에서 LED의 배열을 3:3:4로 혼합했을 때의 파장 그래프이다.

청색 파장대에서는 450nm, 적색 파장대에서는 660nm에서 극대화가 이루어지고, 450nm 내지 660nm 영역에서의 파장도 발생시키고 있는 것을 알 수 있다.

도 6을 참조하면, 실제로 2% UV 380nm, 6% Royal Blue 455nm, 12% Blue 470nm, 30% Red 627nm, 50% Far Red 660nm와 같이, 태양빛은 4%의 UV대역, 52%의 근적외선 영역 그리고, 44%의 가시광석 영역에 분포하는 것을 알 수 있고, 본 발명의 LED 조명장치(10) 또한 이러한 태양광의 파장 분포에 근접하다고 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 식물 성장용 LED 조명장치, 태양광 및 종래의 LED 조명장치의 파장을 비교하기 위한 그래프들이다.

(A)는 태양광의 파장 그래프이고, (B)는 종래의 적색 LED와 청색 LED만을 혼합하여 만든 LED 조명장치에 의한 파장 그래프이며, (C)는 본 발명에 따른 LED 조명장치의 파장 그래프를 나타낸 것이다.

(A)를 보면 430에서 450nm(청색 파장), 600nm(적색 파장)에서 뿐만 아니라 430 내지 600nm 영역대에서도 파장 분포가 나타나고 있는 것을 알 수 있다.

하지만, (B)의 그래프를 보면 450nm(청색 파장)와 660nm(적색 파장)에서만 파장이 극대화되어 있을 뿐 450 내지 660nm 사이에 있는 파장은 거의 발생시키지 않고 있는 것을 알 수 있다.

(C)를 참조하면, 청색 파장대인 430 내지 450nm와 적색 파장대인 600-660nm에서 뿐만 아니라, 480 내지 600nm 사이에서도 파장이 발생되는 것을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 LED 파장 분포는 자연광인 태양광의 파장 분포도와 매우 근접하고 있음을 알 수 있고, 실제로 자연광에 근접하여 식물 성장의 촉진 기능을 더욱 활성화시키는 것으로 확인되고 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : LED 조명장치 11 : 하우징
12 : 프레임 13 : LED 모듈
14 : LED 21 : PCB
22a, 22b, 22c, 22d, 22e : 주황색 LED
23a, 23b, 23c, 23d, 23e, 25a : 노란색 LED
24a, 24b, 24c, 24d, 24e : 적색 LED

Claims

길이 방향으로 소정 간격 이격되어 PCB상에 LED가 배열된 식물 성장용 LED 조명장치에 있어서,
상기 LED 중 10개의 LED를 1블럭 패키지로 정의하고,
상기 10개의 LED를 주황색 도료가 경화된 청색 LED, 적색 LED 및 노란색 도료가 경화된 청색 LED를 3:3:4의 비율로 혼합하여 배열한 것을 특징으로 하는 식물 성장용 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 주황색 도료가 경화된 청색 LED를 L3라 하고, 상기 적색 LED를 L6라 하며, 상기 노란색 도료가 경화된 청색 LED를 L5라 할 때,
상기 1블럭 패키지는, L3-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L6-L5, L3-L5-L6-L5-L3-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L6-L3-L5-L6-L5-L3-L5-L6, L5-L3-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L6-L3-L5-L5-L6-L3-L5-L6, L3-L5-L6-L3-L5-L6-L3-L5-L5-L6 중 어느 하나의 배열로 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물 성장용 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 주황색 도료가 경화된 청색 LED의 색온도는 2700K 내지 3500K이고,
상기 노란색 도료가 경화된 청색 LED의 색온도는 4700K 내지 5500K인 것을 특징으로 하는 식물 성장용 LED 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 LED 조명장치의 파장은 청색 파장과 적색 파장에서 극대화되고, 상기 청색 파장과 적색 파장 사이의 영역에서도 다른 가시광선의 파장이 발생되는 파장 분포도를 이루는 것을 특징으로 하는 식물 성장용 LED 조명장치.